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柏林硬分叉對 Gas 影響幾何?_SLOT

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柏林硬分叉已于4月14日在主網上線,引入了四份EIP。其中的兩份(EIP-2929?和?EIP-2930)對交易的gas成本有影響。本文將解釋部分gas成本在柏林前是如何計算的,加入了EIP-2929后會如何變化,以及如何使用EIP-2930引入的訪問列表。

要點速覽

這篇文章很長,這是它的概要:

柏林硬分叉改變一些操作碼的gas成本。如果在一個dapp或一個智能合約里gas費的值是硬編碼的,它們可能會中止運行。如果這種情況發生了,且智能合約是不可更新的,消費者將需要用EIP-2930的訪問列表才能使用那部分的操作碼。

訪問列表可以用作減少少量的gas成本,但實際上它們在一些情況下是會增加總gas消耗量的。

geth?增加了一個叫?eth_createAccessList?的新RPC方法,用以簡化訪問列表的創建。

柏林硬分叉前的gas成本

EVM執行的每個操作碼都有一筆相關的gas成本。它們大多數的成本是固定的:PUSH1?總是消耗3個單位的gas,MUL?消耗5個,等等。其他一些是會變化的:比如?SHA3?的操作碼成本依賴于它的輸入大小。

我們主要討論操作碼?SLOAD?和?SSTORE,因為它們是最受柏林硬分叉影響的。我們以后會討論針對地址的操作碼,比如所有的?EXT*?和?CALL*?,因為它們的gas成本也改變了。

柏林前SLOAD的gas成本

在沒有EIP-2929之前,SLOAD?的gas消耗很簡單:它總是消耗800gas。所以沒有什么可說的。

部分客戶端在以太坊柏林硬分叉后出現問題,團隊正緊急診斷和修復問題:4月15日消息,據社區以及以太坊客戶端OpenEthereum的GitHub顯示,該客戶端在以太坊“柏林”硬分叉后節點出現共識問題,區塊高度12244294后不同步。開發團隊和以太坊核心團隊已經意識到該問題,正在診斷和修復,在發布修復方案之前,以太坊上無法獲取新的區塊數據。[2021/4/15 20:24:23]

柏林前SSTORE的gas成本

在gas消耗方面,SSTORE?可能是最復雜的操作碼了,因為它的成本取決于像存儲slot的當前值、新值、以及它是否之前被修改過。我們僅對一些情況進行分析以獲得一個基本理解;如果你想了解更多,請閱讀文末的EIP鏈接。

如果存儲slot的值從0變成1(或任何非0的值),gas消耗量是20000。

如果存儲slot的值從1變成2(或任何其他非0的值),gas消耗量是5000。

如果存儲slot的值從1(或任何非0的值)變成0,gas消耗量也是5000,但在交易的最后你會獲得1筆gas費返還。本文不會討論gas費返還,因為它們在柏林硬分叉中不受影響。

如果存儲slot的值在之前相同的交易中被修改了,往后所有?SSTORE?的gas消耗量都是800。

這部分的細節并不有趣,重要的是?SSTORE?很貴,而它的消耗取決于幾個因素。

EIP-2929后的gas消耗

EIP-2929對上述所有操作碼的gas消耗都有影響。但在深入這些變化前,我們需要先談談這份EIP引入的一個重要概念:訪問過的地址(accessedaddresses)與訪問過的存儲密鑰(accessedstoragekeys)。

數據:仍有25%節點未升級支持以太坊“柏林”硬分叉:據ethernodes.org數據顯示,過去24小時內仍有25%的節點(約400多個)未升級支持以太坊“柏林”硬分叉。[2021/4/15 20:23:49]

如果一個地址或一個存儲密鑰在之前的交易中被“使用”過,那么它們就會被視為“訪問過的”。例如,當你?CALL一個其他合約,該合約的地址就會被標為“accessed(訪問過的)”。同樣地,當你?SLOAD或?SSTORE一些slot的時候,交易的其他部分也會被視為訪問過的。哪個操作碼執行它并不重要:如果一個?SLOAD?讀取了一個slot,接下來的?SLOAD?和SSTORE?都會被視為訪問過的。

這里值得注意的是,存儲密鑰是“內置于“一些地址的。就如這份EIP所解釋:

在執行交易時,維持一組?accessed_addresses:Set?和accessed_storage_keys:Set]

也就是說,當我們說一個存儲slot被訪問了,我們實際上說的一對?(address,storageKey)?被訪問了。

接下來談談新的gas消耗。

柏林后的SLOAD

在柏林硬分叉之前,SLOAD固定消耗800gas。現在,它取決于該存儲slot是否被訪問過。如果它沒有被訪問過,gas消耗是2100;如果被訪問過了,則是100。因此,如果該slot是在訪問過的存儲密鑰列表里的,SLOAD?的gas消耗會少于2000。

柏林后的SSTORE

以太坊客戶端Geth最新版已支持下一次硬分叉“柏林”的所有改進提案:6月8日消息,以太坊官方客戶端 Geth 發布最新版1.9.15,除了常規修復漏洞之外,本次更新中已經實現了下一次硬分叉升級“柏林”已經規劃的所有改進提案,針對這些 EIP 的臨時測試網絡 Yolo 已經上線。[2020/6/8]

讓我們在EIP-2929語境下重溫前面的?SSTORE?例子:

如果存儲slot的值從0變成1(或任何非0的值),gas消耗量是:

如果存儲密鑰沒有被訪問過,22100

如果被訪問過了,20000

如果存儲slot的值從1變成2(或任何其他非0的值),gas消耗量是:

如果存儲密鑰沒有被訪問過,5000

如果被訪問過了,2900

如果存儲slot的值從1(或任何非0的值)變成0,gas消耗與上一種情況一樣,再加上返還。

如果存儲slot的值在之前相同的交易中被修改了,往后所有?SSTORE?的gas消耗量都是100。

如你所見,如果?SSTORE?正在修改的slot是之前被訪問過的,第一個SSTORE?消耗少于2100gas。

總結

下表對上述的值進行了比較:

動態 | ISO將于明年五月在都柏林舉辦會議討論區塊鏈技術標準:據irishtimes消息,愛爾蘭財政部部長邁克爾·達西(Michael D’arcy)上周宣布,五國際標準化組織(ISO)將于明年五月在都柏林舉辦會議,屆時將討論區塊鏈技術國際標準。[2018/10/8]

請注意,在最后一行沒有必要談論slot是否已經被訪問過,因為如果它之前就被寫入,那它就被訪問過了。

EIP-2930:可選訪問列表交易

我們一開始提及的其他EIP就是EIP-2930。這份EIP增加了一種新的交易類型,它可以在交易里加入一個訪問列表。這意味著你可以在交易執行開始前,事先聲明哪些地址和slot應被視為訪問過的。例如,一個未被訪問過的slot的一個?SLOAD?需要消耗2100gas,但如果該slot被加入到交易訪問列表里,同一個操作碼只需消耗100gas。

但如果已經被訪問過的地址或存儲密鑰會消耗更少gas,這是否意味著我們可以把所有東西都添加到交易訪問列表來降低gas消耗了?棒!不用給gas費了!然而,不盡然是這樣,因為你每次添加地址和存儲密鑰的時候還是需要支付gas費的。

我們來看一個例子。假如我們正在向合約A發送一筆交易,訪問列表可能如下:

如果我們發送一筆附有這個訪問列表的交易,使用slot?0x0?的第一個操作碼是SLOAD,它消耗的是100而不是2100gas。這減少了2000gas。但每次把存儲密鑰添加到交易的訪問列表中都需要消耗1900gas。因此我們只省了100gas。(如果訪問該slot的第一個操作碼是?SSTORE而不是?SLOAD,我們可以省2100gas,也就是說如果我們考慮的是存儲密鑰的消耗的話,我們總共節省200gas。)

動態 | 柏林將舉辦專注于區塊鏈和數字貨幣的藝術展覽:據ETHNews消息,柏林將于9月7日舉辦一場名為“工作證明(Proof of Work)”的藝術展覽,此次展覽將專注于區塊鏈和數字貨幣技術,此次展覽以“由加密創建者制作的藝術品,由藝術家建造的加密實驗室,以及之前在比特幣的數字貨幣中獲得靈感而創作的繪畫和藝術品”為特色。[2018/9/6]

這是否代表只要我們使用交易訪問列表就能節省gas?不是的,因為我們還需要支付添加地址到訪問列表(即我們的例子中的?"<addressofA>"?)的gas。

訪問過的地址

到目前為止,我們只討論了操作碼?SLOAD?和?SSTORE,但柏林升級后不是只有這些操作碼有變化。例如,操作碼?CALL?之前的固定消耗量是700。但EIP-2929后,如果地址不在訪問列表里,它的消耗量變成了2600,如果在,則是100。還有,像訪問過的存儲密鑰,無論之前訪問的是什么操作碼(例如,如果EXTCODESIZE?是第一次被調用,那么該操作碼將消耗2600gas,而往后任何使用同一個地址的?EXTCODESIZE、?CALL?還是STATICCALL都只消耗100gas)。

這是如何影響有訪問列表的交易的呢?例如,假如我們給合約A發送一筆交易,而該合約調用另一個合約B,那么我們可以加入這樣一個列表:

我們將需要支付2400gas以把這個訪問列表加入到交易里,但之后使用?B?地址的第一個操作碼只消耗100gas,而不是2600。因此,我們通過這樣做節省了100gas。如果?B?以某種方式使用它的存儲,且我們知道使用的是哪個密鑰,那么我們也可以把它們加入到訪問列表里,這樣可以為每個密鑰節省100~200gas(取決于你的第一個操作碼是?SLOAD?還是?SSTORE?)。

但是為什么我們要談論另一個合約?我們正在調用的合約呢?為什么不對這個合約進行這些操作?

我們可以這樣做,但這樣不劃算,因為EIP-2929明確規定正在被調用的合約(即tx.to)地址會默認加入到?accessed_addresses?列表里。因此我們無須支付多余的2400gas。

讓我們再對之前的例子進行分析:

除非我們要加入多幾個存儲密鑰,否則這其實很浪費。如果我們預設?SLOAD?總是首先使用存儲密鑰,那么我們起碼需要24個存儲密鑰能保本。

你可以想象一下,做分析與手動創建一個訪問列表并不那么有趣。幸運的是,其實有更好的方法。

eth_createAccessListRPC方法

Geth(從1.10.2版本開始)加入了一個新的?eth_createAccessList?RPC方法,你可以用它來生成訪問列表。它的使用與?eth_estimateGas?相似,但它返回的不是gas估值,而是像下面這樣的結果:

也就是它給你該交易會用到的地址與存儲密鑰的列表,加上訪問列表被加入情況下所消耗的gas。但,這并不代表gas消耗量會低于在沒有訪問列表情況下發送同一筆交易所消耗的!

我想我們會隨著時間推移發現使用它的正確方法,但我猜的偽代碼如下:

給合約松綁

值得一提的是,訪問列表的主要目的不在于使用gas。如EIP所解釋:

減輕由EIP-2929引入的合約斷裂風險,因為交易可以提前指定交易計劃訪問的賬戶和存儲slot并提前支付;最終在實際執行中,操作碼SLOAD和EXT*只消耗100gas:這個低gas消耗不僅可以防止由該EIP引起的斷裂,還可以“松開”任何因EIP-1884而受限的合約。

這意味著如果一個合約對執行某事務的成本做了假設,gas成本的增加就可能使它停止運作。例如,一個合約調用另一個合約,像這樣someOtherContract.someFunction{gas:34500}(),因為它假設someFunction?會準確消耗34500gas,這樣它會出問題。但如果你添加了一個合理的訪問列表,那么合約會再次運作。

自己做檢驗

如果你像自己去測試,復制這個代碼庫,里面由多個可以用?Hardhat?和geth執行的實例。在README查看說明。

參考文獻

EIP-2929?和?EIP-2930?是與本文相關的兩個柏林硬分叉EIP。

EIP-2930依賴于柏林硬分叉的另一部分:?EIP-2718,它又叫類型交易。

EIP-2929參考了很多?EIP-2200,因此如果你想深入了解gas成本,你可以從那里開始。

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